CN1153351C - 频率合成器 - Google Patents

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Abstract

频率合成器在很多应用，如数字和模拟收音机、电视接收机、汽车收音机等应用中被用来对RF信号进行向下变换。通过将锁相环解调器的压控振荡器与频率合成器的压控振荡器组合起来，可以获得主要成本的降低，但是必须进行测量以防止两个PLL试图将同样的VCO锁定到不同的频率。本发明给出一个频率合成器(FS3)，而相位频率比较器(31)和充电装置(35)之间的切换装置(33)是通过利用频窗检测器(371，373，375)来控制的。当检测到频率合成器输入信号之间的频率差值低于预定值时，相位频率检测器(31)与所述充电装置(35)断开，其后，所述的压控振荡器(VCO3)仅由AFC信号驱动。

Description

频率合成器
本发明涉及频率合成器。
本发明还涉及包括这种频率合成器的接收机。
这种频率合成器是已知的，可以被用来在数字或模拟卫星接收机，汽车收音机，数字或模拟(有线)电视接收机，无绳或无线电话中对RF信号进行向下变换。
通过将锁相环解调器的压控振荡器与频率合成器的压控振荡器组合，可以实现系统主要成本的降低，在该系统中采用了对FM信号的直接解调。
从US-A-5,446,411可以了解到这种接收机，其中锁相环用作FM解调器。频率合成器在这里用来使锁相环解调器在预定的频率上工作。标准的PLL频率合成器并不适用于调谐压控振荡器用于解调的系统。
原因是两个PLL，频率合成器和解调环(FM)或同步环(AM)将试图将相同的VCO锁定到不同的频率(前者锁定到倍频后的晶振频率，后者锁定到载波频率)，这样导致无用的系统。为了克服上面提到的缺点，频率合成器的输出通过切换装置和除法器连接到压控振荡器的输入端。
这种频率合成器的缺点是频率合成器输出端的切换装置会造成瞬变现象，锁定的丢失和切换中的尖峰脉冲。此外，这种除法器会造成热噪声。由于在最高频率上工作的频率测量设备的存在而造成的功率消耗很高。
本发明的一个目标是克服以前技术的缺点，而给出具有低成本，低消耗，低噪声和性能提高并且应用范围更广的频率合成器。
到此为止，本发明的第一方面一种频率合成器，包括用于接收第一频率信号的第一输入端和用于接收第二频率信号的第二输入端；连接到第一和第二输入端用于比较第一和第二频率信号的比较器；充电装置，其输入端连接到所述比较器的输出端，其输出端连接到频率合成器的输出端用于给出输出信号；频窗检测器，该频窗检测器同样连接到所述第一和第二输入端，所述频窗检测器根据第一和第二频率信号是否落在预定的频窗内而给出一个输出信号；和位于比较器和充电装置之间的切换装置，所述切换装置是由频窗检测器的输出信号控制的；其特征在于所述频窗检测器包括：逻辑电路，所述逻辑电路包括分别与频率合成器第一和第二输入端连接的输入端，还包括一个输出端；相频检测器，用于给出频率差值信号，所述相频检测器具有和逻辑电路的输出端连接的第一输入端，还具有第二输入端和输出端；和可编程除法器，其输入端与频率合成器的第二输入端连接，其输出端与相频检测器的第二输入端连接，相频检测器根据第一和第二频率信号之间的频率差值提供一个输出信号作为切换装置的控制信号。
本发明的第二方面给出用于接收RF信号的接收机，所述接收机包括：第一和第二混合器，分别用于将输入信号进行混合从而形成基带I信号和基带Q信号；和宽带环，所述宽带环包括第一压控振荡器，所述第一压控振荡器用于分别为第一和第二混合器提供I和Q信号，其特征在于所述接收机还包括：第二压控振荡器，和与第二压控振荡器连接的频率合成器，其中所述频率合成器包括：用于接收第一频率信号的第一输入端和用于接收第二频率信号的第二输入端；连接到第一和第二输入端用于比较第一和第二频率信号的比较器；充电装置，其输入端连接到比较器的输出端，其输出端连接到频率合成器的输出端用于给出输出信号；频窗检测器，该频窗检测器同样连接到所述第一和第二输入端，所述频窗检测器根据第一和第二频率信号是否落在预定的频窗内而给出一个输出信号；和位于比较器和充电装置之间的切换装置，所述切换装置是由频窗检测器的输出信号控制的。
本发明基于这样的认识：通过使用频窗检测器和位于比较器和充电装置之间的切换装置，频率合成器可以被关掉。有两种方法实现这一点。首先，其效果是0，但是电路保持激活(看门狗功能)，其次是完全关掉(低功率消耗)。采用该方法，在通常的操作中，频窗内频率合成器的影响被降低(几乎)到0。因为在充电装置之前充电装置被关掉，以及在其不被激活时，频率合成器输出处不会发生任何瞬变现象或尖峰脉冲。
根据本发明，频率合成器的另一个优点是输出信号频率的准确性并不依赖于参考频率的准确性。
这种具有组合调整系统的接收机结构使得能够使用便宜的晶振，因为当压控振荡器在“窗内”时，频率合成器被禁止。因此，VCO频率的准确性并不依赖于晶体频率的准确性，而是依赖于AFC信号的准确性。另一个优点是AFC获得了VCO的控制，当频率合成器的功率被切断时，节省了大量的功率消耗。
从US-A-4,787,097已知一种具有相位检测器和频率检测器的锁相环以及用于从NRZ(不返回0)数据流中提取数据和时钟的相关监视器和恢复电路。在检测到锁相环位于窄频窗之外之后，相位检测器被关掉，频率检测器被打开。在确定了锁相环(再一次)位于窄频窗之内后，相位检测器被打开，频率检测器被关掉。此外，该锁相环包括一个异或门和模拟元件来获得相位频率比较器的第一输入信号。
本发明的频率合成器不包括任何的模拟元件，因此在涉及老化、分量值的扩展及分布方面很有效。
除法器的划分值可以根据输入信号和/或所使用的晶振来选择。
根据本发明的频率合成器的另一个实施方案包括权利要求3的特征。
采用这种方法，可以得到获得用于切换装置的切换信号的非常有效的方法。
为了进一步改进切换信号，频窗检测器的逻辑电路包括三个D触发器来克服可能的不希望(额外)的切换信号。
参考在图中给出并在下面描述的例子，本发明以及可以选择用来更好地实现本发明的附加特征会变的很明白。下面给出：
图1是根据本发明的频率合成器的方框图，
图2是根据本发明的频率合成器更详细的方框图，
图3是包括根据本发明的频率合成器的接收机的方框图示例，
图4是包括根据本发明的频率合成器的接收机的方框图示例，
图5是包括根据本发明的频率合成器的接收机的方框图示例，
图6是根据本发明的频窗检测器的方框图示例。
在整个描述过程中，相应的元件具有相应的参考标号。
图1给出根据本发明的频率合成器FS的示例，该合成器包括一个第一输入I1和一个第二输入I2用于分别接收第一频率输入信号s1和第二频率输入信号s2。输入信号I1和I2连接到相位频率比较器1用于比较这两个频率输入信号。根据两个频率输入信号s1和s2之间的频率差值，相频比较器给出一个信号sc。相频比较器1的输出通过切换装置3连接到充电装置5。充电装置通过例如环路滤波器给出一个充电信号用来控制压控振荡器(没有给出)。两个输入I1和I2还被连接到频窗检测器7用于检测是否两个频率输入信号s1和s2在预定的窗内。根据两个频率输入信号之间的频率差值，频窗检测器7为切换装置提供一个控制信号nwl用于分别打开或关闭相频比较器3和充电装置5之间的信号路径。当两个频率输入信号在预定频窗之内时，信号路径将被打开，导致在输出O处没有输出信号。
图2更详细地给出根据本发明的频率合成器FS2的例子。在输入端I21频率合成器接收频率输入信号s21，在该例中为VCO频率信号。在除法器21通过预定因子N将该输入信号划分之后，除法器的输出信号fa被提供给相频比较器21。在输入端I22，频率合成器从晶振Xtal接收频率输入信号s22。在除法器D22通过预定因子M除以该输入信号之后，除法器的输出信号fr被提供给相频比较器21的另一个输入端。除法器D21和D22的输出分别还被连接到频窗检测器27。该频窗检测器在该例中包括D触发器271、可编程除法器273和相频检测器275。可编程分组器273根据所需的窗的大小来接收信号ws。D触发器271给出频率信号fd等于|fa-fr|。除法器273给出信号fwb，其频率定义了频窗的大小。这两个信号被提供给相频检测器275用于当信号fd的频率大于频窗的频率时为切换装置23提供使能信号nw。在该例中，切换装置被实现为两个与门。根据信号fa和fr之间的频率差值或相位差值，在另外的输入端，与门分别从相频比较器21接收信号UP或信号DN。与门的输出都被连接到电流源-这里为分别在频率合成器FS2的输出端O2给出正或负的电流信号lp2的充电装置25的一部分。
图3给出具有根据本发明的频率合成器FS3的接收机R3的例子。在接收机输入端RI3，接收机接收RF信号Rfin。该信号被提供给输入放大器IA3，该放大器还接收自动增益控制信号AGC。输入放大器的输出信号被提供给混合器M3。在另一个输入端，混合器从压控振荡器VCO3处接收信号。混合器的输出是通过带通滤波器BPF3、另一个放大器A3、频率解调器FD3和输出放大器OA3提供的，以便给出一个基带输出信号用于后续处理。在该技术领域中这一点是众所周知的，不需要进一步的解释。
输出放大器OA3的输入信号也是通过低通滤波器LPF3给出的，并且作为自动频率控制信号AFC3提供给加法设备SUM3的输入端。在另一个输入端，加法设备通过环路滤波器LF3从频率合成器FS3接收输出信号1p3。
在该例中频率合成器FS3与图2中的结构相同；所有的元件具有相对应的参考标号。
因为当压控振荡器在窗内时频率合成器被禁止，具有组合调整系统的接收机结构使得可以使用便宜的晶体振荡器。因此VCO频率的准确性并不依赖于晶振频率的准确性而是依赖于AFC信号的准确性。另一个优点是，AFC获得了对VCO的控制，如果频率合成器被关掉，就可以节省大量的功率消耗。
图4给出数字卫星接收机R4的例子。在输入端RI4，接收机接收RF信号Rfin。该信号被提供给输入放大器IA4，该放大器是由自动增益控制信号AGC控制的。输入放大器的输出信号被提供给第一混合器M41和第二混合器M42。第一混合器在另一个输入端接收I信号，并通过放大器A41和低通滤波器F41提供基带I信号bbI。第二混合器在在其第二输入端接收Q信号并通过放大器A42和低通滤波器F42提供基带Q信号bbQ。在该技术领域中这一点是众所周知的，不需要进一步的解释。
基带I信号和基带Q信号也被提供给频率检测器FD4。频率检测器的输出被连接到低通滤波器LPF41，给出模拟自动频率控制信号AFC。该自动频率控制信号通过低通滤波器LPF42提供给低噪声压控振荡器VCO41。压控振荡器的输出被提供给频率合成器FS4的输入端I41。在输入端I42频率合成器通过可编程除法器PD41从晶振Xta14接收频率信号。频率合成器的输出O4被连接到低通滤波器LPF42的输入端。
压控振荡器VCO42分别为第一混合器M41和第二混合器M42提供I信号和Q信号。Q信号也被提供给可编程除法器PFD4。可编程除法器PD42的输出被提供给相频检测器PFD4。在另一个输入端，相频检测器接收压控振荡器VCO41的输出信号。相频检测器的输出通过低通滤波器LPF43送到压控振荡器VCO42的输入端。在这种方法中，可以创建宽带环WBL，降低集成正交振荡器VCO42的相位噪声。AFC功能的使用使得LNB(没有给出)的频率漂移以避免了循环片断的平滑而连续的方式补偿。在标准方法中，除法器D41的分阻因子必须被切换(不连续的)，在该例中，频率合成器FS4与图2的结构相同，这里不需要进一步的解释。
图5给出接收机R5的例子，该接收机包括解调器锁相环DPLL5和频率合成器FS5用于模拟卫星接收机的直接转换。在该图中给出了直接转换模拟卫星接收机的例子。在输入端RI5，接收机接收RF输入信号Rfin。输入端RI5连接到输入放大器IA5，该放大器是由自动增益控制AGC控制的。输入放大器的输出端连接到混合器M5，用于将该信号与来自压控振荡器VCO5的信号混合。混合器的输出端通过也是由自动增益控制AGC控制的输出放大器OA5连接到充电装置CP5。充电装置CP5连接到加法装置SUM5的输入端用于给出电流Icp5。在另一个输入端，加法装置接收来自频率合成器FS5的输出信号。加法装置SUM5的输出通过环路滤波器LF5连接到压控振荡器VCO5的输入端。频率合成器对应于前面描述的例子。因为根据本发明的频率合成器中切换装置的原因，直接转换是可能的。
图6给出频窗检测器6 7的例子，其中D触发器571(见图5)由逻辑电路671代替，该逻辑电路包括三个D触发器DFF61，DFF62，DFF63，复用器MUX6，或门OR6和异或门EXOR6。
来自除法器D61的信号fa被提供给D触发器DFF61的第一输入端，来自除法器D62的信号被提供给DFF61的另一个输入端。在图5中，该D触发器(图5中的571)的输出被提供给相频检测器675(图5中的575)。这里D触发器DFF61的输出信号被提供给复用器MUX6。复用器的输出信号被提供给D触发器DFF63，该触发器在另一个输入端接收来自除法器D62的输入信号fr。D触发器DFF63的输出信号被提供给相频检测器675并被连接回复用器MUX6的另一个输入端。复用器还有一个选择输入，该输入端从异或门EXOR6接收信号。
来自晶振Xta16的时钟信号fx被提供到或门OR6的输入端。在另一个输入端，或门接收来自除法器D62的信号fr。或门的输出被提供给D触发器DFF62。在D输入端，该D触发器接收来自除法器D61的信号fa。
D触发器DFF62的输出信号被提供给异或门EXOR6的另一个输入端。
通过以逻辑电路671代替D触发器(图5的571)，“窗外”的检测被进一步提高。为了检测信号fa的(额外)瞬变现象，这些瞬变现象被抛弃，其中的瞬变现象位于与采样时刻具有给定距离的点上，并且会造成误判断。
安全窗是通过使用D触发器DFF62实现的，即以较高的频率fx采样信号fa。当信号fr很低时，或门OR6使得D触发器DFF62被信号fx锁定。信号fr的上升沿不仅启动D触发器DFF61，采样fa，而且冻结D触发器DFF62的状态。为了访问信号fa中的“危险”瞬变现象，D触发器DFF61和DFF62的输出在异或门EXOR6中被组合。如果两个D触发器DFF61和DFF62的状态不一样，意味着信号fa中的瞬变现象发生于D触发器DFF61和DFF62的采样时刻之间。这使得异或门EXOR6的输出为一个高电平信号，该信号使得复用器MUX6将D触发器DFF63的输出重定向到其输入端，在该方法中忽视信号fa中的瞬变现象。例如，当异或门的输出电平为低电平时，输入端b的信号被提供到输出端，而当异或门的输出为高电平时，输入端a的信号被提供给输出端。D触发器DFF63然后被根据信号fr的下降沿而触发。对于正确的操作，最好的是，信号fx必须在信号fr的上升沿之前出现上升沿。
注意到上面已经基于一些例子描述了本发明。该领域的技术人员将会明白在该发明范围内的很多变化。
例如，对于该领域的技术人员来说可以使用频窗检测器同样的思想来构建所需要的窗。
此外，根据本发明的频率合成器可以用于例如所有种类的接收机，寻呼机和移动电话中。

Claims (4)

1.一种频率合成器，包括用于接收第一频率信号的第一输入端和用于接收第二频率信号的第二输入端；
连接到第一和第二输入端用于比较第一和第二频率信号的比较器；
充电装置，其输入端连接到所述比较器的输出端，其输出端连接到频率合成器的输出端用于给出输出信号；
频窗检测器，该频窗检测器同样连接到所述第一和第二输入端，所述频窗检测器根据第一和第二频率信号是否落在预定的频窗内而给出一个输出信号；和
位于比较器和充电装置之间的切换装置，所述切换装置是由频窗检测器的输出信号控制的；
其特征在于所述频窗检测器包括：
逻辑电路，所述逻辑电路包括分别与频率合成器第一和第二输入端连接的输入端，还包括一个输出端；
相频检测器，用于给出频率差值信号，所述相频检测器具有和逻辑电路的输出端连接的第一输入端，还具有第二输入端和输出端；和
可编程除法器，其输入端与频率合成器的第二输入端连接，其输出端与相频检测器的第二输入端连接，相频检测器根据第一和第二频率信号之间的频率差值提供一个输出信号作为切换装置的控制信号。
2.根据权利要求1的频率合成器，特征在于，逻辑电路包括：
第一D触发器，其输入端与频率合成器的输入端连接，其还包括一个输出端；
多路复用器，其包括与第一D触发器的输出端连接的第一输入端，还包括第二输入端，选择端和输出端；
第二D触发器，其具有和频率合成器的第一输入端连接的第一输入端，还包括第二输入端和输出端；
或门，具有连接到频率合成器的第二输入端的第一输入端，连接来接收时钟信号的第二输入端，和连接到第二D触发器的第二输入端的输出端；
异或门，异或门的第一输入端连接到第二D触发器的输出端，异或门的第二输入端连接到第一D触发器的输出端，异或门的输出端连接到多路复用器的选择输入端；
第三D触发器，第三D触发器的第一输入端连接到该多路复用器的输出端，第三D触发器的第二输入端连接到频率合成器的第二输入端，第三D触发器的输出端连接到多路复用器的第二输入端和相频检测器。
3.用于接收RF信号的接收机，包括用于将RF输入信号与基带信号混合的混合器，输出端连接到混合器的压控振荡器，该接收机的特征在于接收机包括与压控振荡器连接的根据权利要求1的频率合成器。
4.用于接收RF信号的接收机，所述接收机包括：
第一和第二混合器，分别用于将输入信号进行混合从而形成基带I信号和基带Q信号；和
宽带环，所述宽带环包括第一压控振荡器，所述第一压控振荡器用于分别为第一和第二混合器提供I和Q信号，
其特征在于所述接收机还包括：
第二压控振荡器，和
与第二压控振荡器连接的频率合成器，其中所述频率合成器包括：
用于接收第一频率信号的第一输入端和用于接收第二频率信号的第二输入端；
连接到第一和第二输入端用于比较第一和第二频率信号的比较器；
充电装置，其输入端连接到比较器的输出端，其输出端连接到频率合成器的输出端用于给出输出信号；
频窗检测器，该频窗检测器同样连接到所述第一和第二输入端，所述频窗检测器根据第一和第二频率信号是否落在预定的频窗内而给出一个输出信号；和
位于比较器和充电装置之间的切换装置，所述切换装置是由频窗检测器的输出信号控制的。
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